CN104184329A - 电力转换设备以及电力转换方法 - Google Patents
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Abstract
一种电力转换设备，包括：初级侧电路(20)；次级侧电路(30)，次级侧电路(30)通过变压器(400)磁耦合至初级侧电路(20)；以及控制单元(50)，控制单元(50)通过改变初级侧电路(20)的切换操作与次级侧电路(30)的切换操作之间的相位差来调节在初级侧电路(20)与次级侧电路(30)之间传送的传送电力，以使得在初级侧电路(20)中设置的初级侧端口(60a、60c)和在次级侧电路(30)中设置的次级侧端口(60b、60d)中的一个端口的端口电压收敛于目标电压。控制单元(50)在相位差等于上限值并且端口电压小于设定阈值时减小目标电压。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于执行初级侧电路与经由变压器磁耦合至所述初级侧电路的次级侧电路之间的电力转换的设备以及方法。
背景技术
常规的电力转换设备可以通过改变初级侧电路的切换操作与次级侧电路的切换操作之间的相位差来调节在初级侧电路的输入/输出端口与次级侧电路的输入/输出端口之间传送的电力的量(例如参见日本特许公报第2011-193713号(JP2011-193713A))。
发明内容
然而，当流过输入/输出端口的电流超过设计的设想值时(例如当用户将负载附接至该输入/输出端口时等)，输入/输出端口中的端口电压会下降。本发明的目的是提供一种能够用来抑制端口电压的下降的电力转换设备以及电力转换方法。
本发明的第一方面是一种电力转换设备，所述电力转换设备包括：初级侧电路；次级侧电路，所述次级侧电路通过变压器磁耦合至所述初级侧电路；以及控制单元，所述控制单元通过改变所述初级侧电路的切换操作与所述次级侧电路的切换操作之间的相位差来调节在所述初级侧电路与所述次级侧电路之间传送的传送电力，以使得在所述初级侧电路中设置的初级侧端口和在所述次级侧电路中设置的次级侧端口中的一个端口的端口电压收敛于目标电压，其中所述控制单元在所述相位差等于上限值并且所述端口电压小于设定阈值时减小所述目标电压。
本发明的第二方面是一种电力转换方法，用于通过改变初级侧电路的切换操作与次级侧电路的切换操作之间的相位差来调节在所述初级侧电路与所述次级侧电路之间传送的传送电力，以使得在所述初级侧电路中设置的初级侧端口和在所述次级侧电路中设置的次级侧端口中的一个端口的端口电压收敛于目标电压，所述次级侧电路通过变压器磁耦合至所述初级侧电路，其中当所述相位差等于上限值并且所述端口电压小于设定阈值时减小所述目标电压。
根据上述第一方面和第二方面，能够抑制端口电压的下降。
附图说明
下面将参照附图来描述本发明的示例性实施方式的特征、优点以及技术和工业意义，在附图中，相同的附图标记代表相同的元件，并且在附图中：
图1是示出了用作根据本发明的电力转换设备的实施方式的电源设备的配置的示例的框图；
图2是示出了根据实施方式的控制单元的配置的示例的框图；
图3是示出了根据实施方式的初级侧电路和次级侧电路的切换操作的示例的定时图；
图4是示出了根据此实施方式的控制单元的配置的示例的框图；以及
图5是示出了根据本发明的电力转换方法的示例的流程图。
具体实施方式
图1是示出了用作电力转换设备的实施方式的电源设备101的配置的示例的框图。例如，电源设备101是包括电源电路10、控制单元50以及传感器单元70的电源系统。
例如，电源设备101包括与初级侧高电压系统负载61a连接的第一输入/输出端口60a以及与初级侧低电压系统负载61c和初级侧低电压系统电源62c连接的第二输入/输出端口60c作为初级侧端口。初级侧低电压系统电源62c将电力提供至初级侧低电压系统负载61c，初级侧低电压系统负载61c通过与初级侧低电压系统电源62c相同的电压系统(例如12V系统)来操作。此外，初级侧低电压系统电源62c将由设置在电源电路10中的初级侧转换电路20增大的电力提供至初级侧高电压系统负载61a，该初级侧高电压系统负载61a通过与初级侧低电压系统电源62c不同的电压系统(例如高于12V系统的48V系统)来操作。可以引用二次电池(诸如铅电池)作为初级侧低电压系统电源62c的特定示例。
例如，电源设备101包括与次级侧高电压系统负载61b和次级侧高电压系统电源62b连接的第三输入/输出端口60b以及与次级侧低电压系统负载61d连接的第四输入/输出端口60c作为次级侧端口。次级侧高电压系统电源62b将电力提供至次级侧高电压系统负载61b，该次级侧高电压系统负载61b通过与次级侧高电压系统电源62b相同的电压系统(例如高于12V系统和48V系统的288V系统)来操作。此外，次级侧高电压系统电源62b将由设置在电源电路10中的次级侧转换电路30增大的电力提供至次级侧低电压系统负载61d，该次级侧低电压系统负载61d通过与次级侧高电压系统电源62b不同的电压系统(例如低于288V系统的72V系统)来操作。可以引用二次电池(诸如锂电池)作为次级侧高电压系统电源62b的特定示例。
电源电路10是包括上述四个输入/输出端口、并且具有用于从该四个输入/输出端口中选择两个期望的输入/输出端口以及执行所选择的两个输入/输出端口之间的电力转换的功能的电力转换电路。
端口电力Pa、Pc、Pb、Pd分别是第一输入/输出端口60a、第二输入/输出端口60c、第三输入/输出端口60b以及第四输入/输出端口60d的输入/输出电力(输入电力或输出电力)。端口电压Va、Vc、Vb、Vd分别是第一输入/输出端口60a、第二输入/输出端口60c、第三输入/输出端口60b以及第四输入/输出端口60d的输入/输出电压(输入电压或输出电压)。端口电流Ia、Ic、Ib、Id分别是第一输入/输出端口60a、第二输入/输出端口60c、第三输入/输出端口60b以及第四输入/输出端口60d的输入/输出电流(输入电流或输出电流)。
电源电路10包括设置在第一输入/输出端口60a中的电容器C1、设置在第二输入/输出端口60c中的电容器C3、设置在第三输入/输出端口60b中的电容器C2以及设置在第四输入/输出端口60d中的电容器C4。可以引用薄膜电容器、铝电解电容器、陶瓷电容器和聚合物电解电容器等作为电容器C1、C2、C3、C4的特定示例。
电容器C1插入在第一输入/输出端口60a的高电位侧端子613与第一输入/输出端口60a和第二输入/输出端口60c的低电位侧端子614之间。电容器C3插入在第二输入/输出端口60c的高电位侧端子616与第一输入/输出端口60a和第二输入/输出端口60c的低电位侧端子614之间。电容器C2插入在第三输入/输出端口60b的高电位侧端子618与第三输入/输出端口60b和第四输入/输出端口60d的低电位侧端子620之间。电容器C4插入在第四输入/输出端口60d的高电位侧端子622与第三输入/输出端口60b和第四输入/输出端口60d的低电位侧端子620之间。
可以将电容器C1、C2、C3、C4设置在电源电路10内部或外部。
电源电路10是配置成包括初级侧转换电路20和次级侧转换电路30的电力转换电路。注意，初级侧转换电路20和次级侧转换电路30经由初级侧磁耦合电抗器204和次级侧磁耦合电抗器304连接，并且通过变压器400(中心抽头式变压器)磁耦合。
初级侧转换电路20是配置成包括初级侧全桥电路200、第一输入/输出端口60a和第二输入/输出端口60c的初级侧电路。初级侧全桥电路200是配置成包括初级侧磁耦合电抗器204、初级侧第一上臂U1、初级侧第一下臂/U1、初级侧第二上臂V1、初级侧第二下臂/V1和变压器400的初级侧线圈202的初级侧电力转换单元。这里，初级侧第一上臂U1、初级侧第一下臂/U1、初级侧第二上臂V1和初级侧第二下臂/V1由分别配置成包括例如N沟道型金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)和用作MOSFET的寄生元件的体二极管的开关元件构成。可以将另外的二极管并联地连接至MOSFET。
初级侧全桥电路200包括与第一输入/输出端口60a的高电位侧端子613连接的初级侧正电极母线298以及与第一输入/输出端口60a和第二输入/输出端口60c的低电位侧端子614连接的初级侧负电极母线299。
将初级侧第一上臂U1和初级侧第一下臂/U1串联地连接的初级侧第一臂电路207被附接在初级侧正电极母线298与初级侧负电极母线299之间。初级侧第一臂电路207是能够通过接通和断开初级侧第一上臂U1和初级侧第一下臂/U1来执行电力转换操作的初级侧第一电力转换电路单元(初级侧U相电力转换电路单元)。此外，将初级侧第二上臂V1和初级侧第二下臂/V1串联地连接的初级侧第二臂电路211与初级侧第一臂电路207并联地附接在初级侧正电极母线298与初级侧负电极母线299之间。初级侧第二臂电路211是能够通过接通和断开初级侧第二上臂V1和初级侧第二下臂/V1来执行电力转换操作的初级侧第二电力转换电路单元(初级侧V相电力转换电路单元)。
初级侧线圈202和初级侧磁耦合电抗器204设置在将初级侧第一臂电路207的中点207m连接至初级侧第二臂电路211的中点211m的桥部分中。为了更详细地描述与该桥部分的连接关系，初级侧磁耦合电抗器204的初级侧第一电抗器204a的一端连接至初级侧第一臂电路207的中点207m，以及初级侧线圈202的一端连接至初级侧第一电抗器204a的另一端。此外，初级侧磁耦合电抗器204的初级侧第二电抗器204b的一端连接至初级侧线圈202的另一端，以及初级侧第二电抗器204b的另一端连接至初级侧第二臂电路211的中点211m。注意，初级侧磁耦合电抗器204被配置成包括初级侧第一电抗器204a和按照耦合系数k1磁耦合至初级侧第一电抗器204a的初级侧第二电抗器204b。
中点207m是初级侧第一上臂U1与初级侧第一下臂/U1之间的初级侧第一中间节点，以及中点211m是初级侧第二上臂V1与初级侧第二下臂/V1之间的初级侧第二中间节点。
第一输入/输出端口60a是设置在初级侧正电极母线298与初级侧负电极母线299之间的端口。第一输入/输出端口60a被配置成包括端子613和端子614。第二输入/输出端口60c是设置在初级侧负电极母线299与初级侧线圈202的中心抽头202m之间的端口。第二输入/输出端口60c被配置成包括端子614和端子616。
中心抽头202m连接至第二输入/输出端口60c的高电位侧端子616。中心抽头202m是构成初级侧线圈202的初级侧第一绕组202a与初级侧第二绕组202b之间的中间连接点。
次级侧转换电路30是被配置成包括次级侧全桥电路300、第三输入/输出端口60b和第四输入/输出端口60d的次级侧电路。次级侧全桥电路300是被配置成包括次级侧磁耦合电抗器304、次级侧第一上臂U2、次级侧第一下臂/U2、次级侧第二上臂V2、次级侧第二下臂/V2和变压器400的次级侧线圈302的次级侧电力转换单元。这里，次级侧第一上臂U2、次级侧第一下臂/U2、次级侧第二上臂V2和次级侧第二下臂/V2由分别被配置成包括例如N沟道型MOSFET和用作MOSFET的寄生元件的体二极管的开关元件构成。可以将另外的二极管并联地连接至MOSFET。
次级侧全桥电路300包括与第三输入/输出端口60b的高电位侧端子618连接的次级侧正电极母线398以及与第三输入/输出端口60b和第四输入/输出端口60d的低电位侧端子620连接的次级侧负电极母线399。
将次级侧第一上臂U2和次级侧第一下臂/U2串联地连接的次级侧第一臂电路307被附接在次级侧正电极母线398与次级侧负电极母线399之间。次级侧第一臂电路307是能够通过接通和断开次级侧第一上臂U2和次级侧第一下臂/U2来执行电力转换操作的次级侧第一电力转换电路单元(次级侧U相电力转换电路单元)。此外，将次级侧第二上臂V2和次级侧第二下臂/V2串联地连接的次级侧第二臂电路311与次级侧第一臂电路307并联地附接在次级侧正电极母线398与次级侧负电极母线399之间。次级侧第二臂电路311是能够通过接通和断开次级侧第二上臂V2和次级侧第二下臂/V2来执行电力转换操作的次级侧第二电力转换电路单元(次级侧V相电力转换电路单元)。
次级侧线圈302和次级侧磁耦合电抗器304被设置在将次级侧第一臂电路307的中点307m连接至次级侧第二臂电路311的中点311m的桥部分中。为了更详细地描述与该桥部分的连接关系，次级侧磁耦合电抗器304的次级侧第一电抗器304a的一端被连接至次级侧第一臂电路307的中点307m，以及次级侧线圈302的一端被连接至次级侧第一电抗器304a的另一端。此外，次级侧磁耦合电抗器304的次级侧第二电抗器304b的一端被连接至次级侧线圈302的另一端，以及次级侧第二电抗器304b的另一端被连接至次级侧第二臂电路311的中点311m。注意，次级侧磁耦合电抗器304被配置成包括次级侧第一电抗器304a和按照耦合系数k2磁耦合至次级侧第一电抗器304a的次级侧第二电抗器304b。
中点307m是次级侧第一上臂U2与次级侧第一下臂/U2之间的次级侧第一中间节点，以及中点311m是次级侧第二上臂V2与次级侧第二下臂/V2之间的次级侧第二中间节点。
第三输入/输出端口60b是设置在次级侧正电极母线398与次级侧负电极母线399之间的端口。第三输入/输出端口60b被配置成包括端子618和端子620。第四输入/输出端口60d是设置在次级侧负电极母线399与次级侧线圈302的中心抽头302m之间的端口。第四输入/输出端口60d被配置成包括端子620和端子622。
中心抽头302m连接至第四输入/输出端口60d的高电位侧端子622。中心抽头302m是构成次级侧线圈302的次级侧第一绕组302a与次级侧第二绕组302b之间的中间连接点。
在图1中，电源设备101包括传感器单元70。传感器单元70用作以预定的检测周期间隔来检测第一至第四输入/输出端口60a、60c、60b、60d中的至少一个输入/输出端口的输入/输出值Y并将与被检测的输入/输出值Y对应的检测值Yd输出至控制单元50的检测装置。检测值Yd可以是通过检测输入/输出电压获得的检测电压、通过检测输入/输出电流获得的检测电流或通过检测输入/输出电力获得的检测电力。传感器单元70可以设置在电源电路10内部或外部。
传感器单元70例如包括电压检测单元，该电压检测单元检测在第一至第四输入/输出端口60a、60c、60b、60d中的至少一个输入/输出端口中生成的输入/输出电压。例如，传感器单元70包括：初级侧电压检测单元，该初级侧电压检测单元输出来自输入/输出电压Va和输入/输出电压Vc之中的至少一个检测电压作为初级侧电压检测值；以及次级侧电压检测单元，该次级侧电压检测单元输出来自输入/输出电压Vb和输入/输出电压Vd之中的至少一个检测电压作为次级侧电压检测值。
传感器单元70的电压检测单元例如包括：电压传感器，该电压传感器监测至少一个端口的输入/输出电压值；以及电压检测电路，该电压检测电路将与通过电压传感器监测的输入/输出电压值对应的检测电压输出至控制单元50。
传感器单元70例如包括电流检测单元，该电流检测单元检测流过第一至第四输入/输出端口60a、60c、60b、60d中的至少一个输入/输出端口的输入/输出电流。例如，传感器单元70包括：初级侧电流检测单元，该初级侧电流检测单元输出来自输入/输出电流Ia和输入/输出电流Ic之中的至少一个检测电流作为初级侧电流检测值；以及次级侧电流检测单元，该次级侧电流检测单元输出来自输入/输出电流Ib和输入/输出电流Id之中的至少一个检测电流作为次级侧电流检测值。
传感器单元70的电流检测单元例如包括：电流传感器，该电流传感器监测至少一个端口的输入/输出电流值；以及电流检测电路，该电流检测电路将与通过电流传感器监测的输入/输出电流值对应的检测电流输出至控制单元50。
电源设备101包括控制单元50。例如，控制单元50是包括具有内置中央处理单元(CPU)的微型计算机的电子电路。控制单元50可以设置在电源电路10内部或外部。
控制单元50对通过电源电路10执行的电力转换操作进行反馈控制，以使得第一至第四输入/输出端口60a、60c、60b、60d中的至少一个输入/输出端口的输入/输出值Y的检测值Yd收敛于在该端口中设定的目标值Yo。例如，目标值Yo是由控制单元50或除控制单元50之外的预定设备基于关于与输入/输出端口连接的各个负载(例如初级侧低电压系统负载61c等)限定的驱动条件来设定的命令值。目标值Yo在电力从端口输出时用作输出目标值而在电力输入至端口中时用作输入目标值，并且可以是目标电压值、目标电流值或目标电力值。
此外，控制单元50对通过电源电路10执行的电力转换操作进行反馈控制，以使得经由变压器400在初级侧转换电路20与次级侧转换电路30之间传送的传送电力P收敛于设定的目标传送电力Po。传送电力还将被称为电力传送量。例如，目标传送电力Po是由控制单元50或除控制单元50之外的预定设备基于端口之一的检测值Yd与目标值Yo之间的偏差来设定的命令值。
控制单元50通过改变预定控制参数X的值来对通过电源电路10执行的电力转换操作进行反馈控制，并且从而能够调节电源电路10的第一至第四输入/输出端口60a、60c、60b、60d的各个输入/输出值Y。两个控制变量(即相位差φ和占空比D(接通时间δ))被用作主要控制参数X。
相位差φ是初级侧全桥电路200和次级侧全桥电路300的同相电力转换电路单元的开关定时之间的偏差(时间滞后)。占空比D(接通时间δ)是构成初级侧全桥电路200和次级侧全桥电路300的相应电力转换电路单元的开关波形之间的占空比(接通时间)。
能够彼此独立地控制两个控制参数X。控制单元50使用相位差φ和占空比D(接通时间δ)通过对初级侧全桥电路200和次级侧全桥电路300执行占空比控制和/或相位控制来改变电源电路10的各个输入/输出端口的输入/输出值Y。
图2是控制单元50的框图。控制单元50是具有用于对初级侧转换电路20的各个开关元件(诸如初级侧第一上臂U1)和次级侧转换电路30的各个开关元件(诸如次级侧第一上臂U2)执行开关控制的功能的控制单元。控制单元50被配置成包括电力转换模式确定处理单元502、相位差φ确定处理单元504、接通时间δ确定处理单元506、初级侧开关处理单元508以及次级侧开关处理单元510。例如，控制单元50是包括具有内置CPU的微型计算机的电子电路。
例如，要在下面描述的，电力转换模式确定处理单元502基于预定的外部信号(例如，表示端口之一的检测值Yd与目标值Yo之间的偏差的信号)从电源电路10的电力转换模式A至L之中选择并设定操作模式。关于电力转换模式，在模式A中，从第一输入/输出端口60a输入的电力被转换并输出至第二输入/输出端口60c。在模式B中，从第一输入/输出端口60a输入的电力被转换并输出至第三输入/输出端口60b。在模式C中，从第一输入/输出端口60a输入的电力被转换并输出至第四输入/输出端口60d。
在模式D中，从第二输入/输出端口60c输入的电力被转换并输出至第一输入/输出端口60a。在模式E中，从第二输入/输出端口60c输入的电力被转换并输出至第三输入/输出端口60b。在模式F中，从第二输入/输出端口60c输入的电力被转换并输出至第四输入/输出端口60d。
在模式G中，从第三输入/输出端口60b输入的电力被转换并输出至第一输入/输出端口60a。在模式H中，从第三输入/输出端口60b输入的电力被转换并输出至第二输入/输出端口60c。在模式I中，从第三输入/输出端口60b输入的电力被转换并输出至第四输入/输出端口60d。
在模式J中，从第四输入/输出端口60d输入的电力被转换并输出至第一输入/输出端口60a。在模式K中，从第四输入/输出端口60d输入的电力被转换并输出至第二输入/输出端口60c。在模式L中，从第四输入/输出端口60d输入的电力被转换并输出至第三输入/输出端口60b。
相位差φ确定处理单元504具有用于设置在初级侧转换电路20与次级侧转换电路30之间的开关元件的开关周期运动(switching periodmotion)之间的相位差φ以使电源电路10用作直流-直流(DC-DC)型转换器电路的功能。
接通时间δ确定处理单元506具有用于设定初级侧转换电路20和次级侧转换电路30的开关元件的接通时间δ以使初级侧转换电路20和次级侧转换电路30分别用作升压/降压电路的功能。
初级侧开关处理单元508具有用于基于电力转换模式确定处理单元502、相位差φ确定处理单元504、接通时间δ确定处理单元506的输出来对由初级侧第一上臂U1、初级侧第一下臂/U1、初级侧第二上臂V1和初级侧第二下臂/V1构成的各个开关元件执行开关控制的功能。
次级侧开关处理单元510具有用于基于电力转换模式确定处理单元502、相位差φ确定处理单元504、接通时间δ确定处理单元506的输出来对由次级侧第一上臂U2、次级侧第一下臂/U2、次级侧第二上臂V2和次级侧第二下臂/V2构成的各个开关元件执行开关控制的功能。
现在将使用图1和图2来描述具有以上配置的电源设备101的操作。例如，当输入请求将电源电路10的电力转换模式设定为模式F的操作的外部信号时，控制单元50的电力转换模式确定处理单元502将电源电路10的电力转换模式设定为模式F。此时，输入至第二输入/输出端口60c的电压通过初级侧转换电路20的升压功能被增大，因此具有增大的电压的电力通过电源电路10的DC-DC转换器电路功能被传送至第三输入/输出端口60b侧，通过次级侧转换电路30的降压功能被减小，并且然后从第四输入/输出端口60d输出。
这里，将详细地描述初级侧转换电路20的升压/降压功能。关注第二输入/输出端口60c和第一输入输出端口60a，第二输入/输出端口60c的端子616经由初级侧第一绕组202a和与该初级侧第一绕组202a串联地连接的初级侧第一电抗器204a被连接至初级侧第一臂电路207的中点207m。初级侧第一臂电路207的相应端连接至第一输入/输出端口60a，并且因此，升压/降压电路被附接在第二输入/输出端口60c的端子616与第一输入/输出端口60a之间。
第二输入/输出端口60c的端子616还经由初级侧第二绕组202b和与该初级侧第二绕组202b串联地连接的初级侧第二电抗器204b连接至初级侧第二臂电路211的中点211m。初级侧第二臂电路211的相应端连接至第一输入/输出端口60a，并且因此，升压/降压电路被附接在第二输入/输出端口60c的端子616与第一输入/输出端口60a之间。注意，由于次级侧转换电路30是与初级侧转换电路20具有基本上相同的配置的电路，所以两个升压/降压电路同样地并联连接在第四输入/输出端口60d的端子622与第三输入/输出端口60b之间。因此，次级侧转换电路30与初级侧转换电路20具有相同的升压/降压功能。
接下来，将详细地描述作为DC-DC转换器电路的电源电路10的功能。关注第一输入/输出端口60a和第三输入/输出端口60b，初级侧全桥电路200连接至第一输入/输出端口60a，并且次级侧全桥电路300连接至第三输入/输出端口60b。当设置在初级侧全桥电路200的桥部分中的初级侧线圈202和设置在次级侧全桥电路300的桥部分中的次级侧线圈302按照耦合系数kT来磁耦合时，变压器400用作具有绕组的数量为1：N的中心抽头式变压器。因此，通过调节初级侧全桥电路200和次级侧全桥电路300中的开关元件的开关周期运动之间的相位差φ，能够将输入至第一输入/输出端口60a的电力转换并传送至第三输入/输出端口60b或者能够将输入至第三输入/输出端口60b的电力转换并传送至第一输入/输出端口60a。
图3是示出了由通过控制单元50执行的控制而产生的设置在电源电路10中的各个臂的接通/关断开关波形的定时图的视图。在图3中，U1是初级侧第一上臂U1的接通/关断波形，V1是初级侧第二上臂V1的接通/关断波形，U2是次级侧第一上臂U2的接通/关断波形，以及V2是次级侧第二上臂V2的接通/关断波形。初级侧第一下臂/U1、初级侧第二下臂/V1、次级侧第一下臂/U2以及次级侧第二下臂/V2的接通/关断波形是通过分别使初级侧第一上臂U1、初级侧第二上臂V1、次级侧第一上臂U2以及次级侧第二上臂V2的接通/关断波形反相而获得的反相波形(未示出)。注意，优选地在上臂和下臂的相应接通/关断波形之间设置死区时间以防止在接通上臂和下臂二者时流动直通电流。此外，在图3中，高电平表示接通状态而低电平表示关断状态。
这里，通过改变U1、V1、U2和V2的相应接通时间δ，能够修改初级侧转换电路20和次级侧转换电路30的升压/降压比。例如，通过使U1、V1、U2和V2的各个接通时间δ彼此相等，能够使初级侧转换电路20的升压/降压比等于次级侧转换电路30的升压/降压比。
接通时间δ确定处理单元506使U1、V1、U2和V2的各个接通时间δ彼此相等(各个接通时间δ＝初级侧接通时间δ11＝次级侧接通时间δ12＝时间值α)，使得初级侧转换电路20和次级侧转换电路30的相应升压/降压比彼此相等。
初级侧转换电路20的升压/降压比通过占空比D来确定，该占空比D是构成初级侧全桥电路200的开关元件(臂)的开关周期T被接通时间δ占据的比例。相似地，次级侧转换电路30的升压/降压比通过占空比D来确定，该占空比D是构成次级侧全桥电路300的开关元件(臂)的开关周期T被接通时间δ占据的比例。初级侧转换电路20的升压/降压比是第一输入/输出端口60a与第二输入/输出端口60c之间的变压比，而次级侧转换电路30的升压/降压比是第三输入/输出端口60b与第四输入/输出端口60d之间的变压比。
因此，例如，
初级侧转换电路20的升压/降压比
＝第二输入/输出端口60c的电压/第一输入/输出端口60a的电压
＝δ11/T＝α/T，
以及次级侧转换电路30的升压/降压比
＝第四输入/输出端口60d的电压/第三输入/输出端口60b的电压
＝δ12/T＝α/T。
换句话说，初级侧转换电路20和次级侧转换电路30的相应升压/降压比取相同的值(＝α/T)。
注意，图3中的接通时间δ代表初级侧第一上臂U11和初级侧第二上臂V1的接通时间δ11和次级侧第一上臂U2和次级侧第二上臂V2的接通时间δ12二者。此外，构成初级侧全桥电路200的臂的开关周期T和构成次级侧全桥电路300的臂的开关周期T是相等的时间。
此外，U1与V1之间的相位差被激活为180度(π)，并且同样地，U2与V2之间的相位差被激活为180度(π)。而且，通过改变U1与U2之间的相位差φ，能够调节初级侧转换电路20与次级侧转换电路30之间的电力传送量P，以使得当相位差φ>0时能够将电力从初级侧转换电路20传送至次级侧转换电路30，以及当相位差φ＜0时能够将电力从次级侧转换电路30传送至初级侧转换电路30。
相位差φ是初级侧全桥电路200和次级侧全桥电路300的同相电力转换电路单元的开关定时之间的偏差(时间滞后)。例如，相位差φ是初级侧第一臂电路207和次级侧第一臂电路307的开关定时之间的偏差，以及是初级侧第二臂电路211和次级侧第二臂电路311的开关定时之间的偏差。这些偏差被控制为彼此相等。换句话说，U1与U2之间的相位差φ和V1与V2之间的相位差φ被控制成为相同值。
因此，例如，当输入请求将电源电路10的电力转换模式设定为模式F(mode F)的操作的外部信号时，电力转换模式确定处理单元502选择并设定模式F。然后，接通时间δ确定处理单元506设定接通时间δ以限定在使初级侧转换电路20用作升压电路时所需要的升压比，该升压电路增大输入至第二输入/输出端口60c中的电压并将增大后的电压输出至第一输入/输出端口60a。注意，次级侧转换电路30用作降压电路，该降压电路以根据由接通时间δ确定处理单元506设定的接通时间δ而限定的降压比来减小输入至第三输入/输出端口60b中的电压，并将减小后的电压输出至第四输入/输出端口60d。此外，相位差φ确定处理单元504设定相位差φ以使得输入至第一输入/输出端口60a中的电力以期望的电力传送量P被传送至第三输入/输出端口60b。
初级侧开关处理单元508对由初级侧第一上臂U1、初级侧第一下臂/U1、初级侧第二上臂V1和初级侧第二下臂/V1构成的各个开关元件执行开关控制，以使初级侧转换电路20用作升压电路并使初级侧转换电路20用作DC-DC转换器电路的一部分。
次级侧开关处理单元510对由次级侧第一上臂U2、次级侧第一下臂/U2、次级侧第二上臂V2和次级侧第二下臂/V2构成的各个开关元件执行开关控制，以使次级侧转换电路30用作降压电路并使次级侧转换电路30用作DC-DC转换器电路的一部分。
如上所述，能够使初级侧转换电路20和次级侧转换电路30用作升压电路或降压电路，并且能够使电源电路10用作双向DC-DC转换器电路。因此，能够在电力转换模式A至L的全部模式下执行电力转换，或者换句话说，能够在从四个输入/输出端口中选择的两个输入/输出端口之间执行电力转换。
由控制单元50根据相位差φ调节的传送电力P(还称为电力传送量P)是经由变压器400从初级侧转换电路20和次级侧转换电路30中的一个传送至另一个的电力，并且表达为
P＝(N×Va×Vb)/(π×ω×L)×F(D,φ) 等式1
注意，N是变压器400的绕组比，Va是第一输入/输出端口60a的输入/输出电压，Vb是第三输入/输出端口60b的输入/输出电压，π是圆周率(pi)，ω(＝2π×f＝2π/T)是初级侧转换电路20和次级侧转换电路30的开关操作的角频率，f是初级侧转换电路20和次级侧转换电路30的开关频率，T是初级侧转换电路20和次级侧转换电路30的开关周期，L是与电力传送相关的磁耦合电抗器204、304和变压器400的等效电感，以及F(D,φ)是具有作为变量的占空比D和相位差φ以及独立于占空比D随着相位差φ增大而单调增大的变量的函数。占空比D和相位差φ是被设计成在夹在预定上限值与预定下限值之间的范围内变化的控制参数。
控制单元50通过变化相位差φ来调节传送电力P，以使得来自初级侧端口和次级侧端口之中的至少一个预定端口的端口电压Vp收敛于目标电压Vo。因此，即使在与预定端口连接的负载的电流消耗增大时，控制单元50也能够通过改变相位差φ以调节传送电力P来防止端口电压Vp相对于目标电压Vo下降。
例如，控制单元50通过改变相位差φ来调节传送电力P，以使得来自初级侧端口和次级侧端口之中的、用作传送电力P的传送目的地的一个端口中的端口电压Vp收敛于目标电压Vo。因此，即使在与用作传送电力P的传送目的地的端口连接的负载的电流消耗增大时，控制单元50也能够通过增大相位差φ以在增大的方向上调节传送电力P来防止端口电压Vp相对于目标电压Vo下降。
附带地，当流过用作传送电力P的传送目的地的端口的电流超过设计的设想值时(例如当将负载附接至该端口时等)，控制单元50增大相位差φ以使得传送电力P增大，并且因此，相位差φ可以达到上限值φmax。然而，控制单元50不能将相位差φ增大至超过上限值φmax，并且因此，如果在相位差φ等于上限值φmax时生成的传送电力P小于该端口所需要的电力量，则端口电压Vp相对于目标电压Vo减小。
因此，控制单元50包括减小装置，该减小装置在检测到相位差φ等于上限值φmax并且传送目的地端口的端口电压Vp低于设定阈值Vth的状况时减小目标电压Vo。
当用作端口电压Vp的目标值的目标电压Vo减小时，还通过控制单元50与目标电压Vo的减小一致地减小实际的端口电压Vp。例如，当电源(诸如电池)连接至传送目的地端口并且该传送目的地端口的端口电压Vp减小时，从该传送目的地端口输出的端口电流Ip根据电源的电源电压和电感与传送目的地端口的端口电压Vp和电感之间的平衡而减小。当端口电流Ip减小时，从与传送目的地端口连接的电源输出的电源电流Is增大，并且因此，即使与该传送目的地端口连接的负载的电流消耗增大，也能够防止传送目的地端口的端口电压Vp的下降。
例如，当相位差φ等于上限值φmax并且用作传送电力P的传送目的地的两个端口中的一个端口的端口电压低于设定阈值Vth时，控制单元50减小另一个端口的目标电压。
例如，当相位差φ等于上限值φmax并且第一输入/输出端口60a的端口电压Va低于设定阈值Vth时，控制单元50减小第二输入/输出端口60c的端口电压Vc的目标电压Vco。当目标电压Vco减小时，实际的端口电压Vc也减小，从而引起从第二输入/输出端口60c输出至初级侧低电压系统负载61c的电力量的减小。因此，即使在与第一输入/输出端口60a连接的初级侧高电压系统负载61a的电流消耗过度增大时，也能够将从第二输入/输出端口60c输出至初级侧低电压系统负载61c的电力量的减小转移至第一输入/输出端口60a，并且因此能够抑制端口电压Va的下降。
此外，例如，当相位差φ等于上限值φmax并且第二输入/输出端口60c的端口电压Vc低于设定阈值Vth时，控制单元50可以减小第一输入/输出端口60a的端口电压Va的目标电压Vao。当目标电压Vao减小时，实际的端口电压Va也减小，从而引起从第一输入/输出端口60a输出至初级侧高电压系统负载61a的电力量的减小。因此，即使在与第二输入/输出端口60c连接的初级侧低电压系统负载61c的电流消耗过度增大时，也能够将从第一输入/输出端口60a输出至初级侧高电压系统负载61a的电力量的减小转移至第二输入/输出端口60c，并且因此能够抑制端口电压Vc的下降。
图4是示出了控制单元50的配置的示例的框图。控制单元50包括比例积分微分(PID)控制单元51、上限值检测单元52、设定阈值检测单元53和目标电压调节单元54。
PID控制单元51包括相位差命令值生成单元，该相位差命令值生成单元通过在开关周期T的间隔执行的PID控制来生成相位差φ的命令值φo，以用于使来自用作传送电力P的传送目的地的端口之中的第一端口的端口电压Vp1收敛于第一目标电压Vo1。
例如，PID控制单元51的相位差命令值生成单元生成相位差φ的命令值φo，以使构成用作传送电力P的传送目的地的端口中的高电位侧端口的第一输入/输出端口60a的端口电压Va收敛于目标电压Vao。基于通过传感器单元70获得的在端口电压Va的目标电压Vao与端口电压Va的检测电压Vad之间的偏差，相位差命令值生成单元在开关周期T的间隔执行PID控制以便于生成用于使该偏差收敛于零的命令值φo。
控制单元50根据由PID控制单元51生成的命令值φo通过对初级侧转换电路20和次级侧转换电路30执行开关控制来调节传送电力P以使得端口电压Vp1收敛于第一目标电压Vo1。例如，控制单元50通过改变相位差φ的命令值φo来调节根据等式1确定的传送电力P，以使得端口电压Va的检测电压Vad收敛于端口电压Va的目标电压Vao。
PID控制单元51还包括占空比命令值生成单元，该占空比命令值生成单元通过在开关周期T的间隔执行的PID控制来生成占空比D的命令值Do，以使来自用作传送电力P的传送目的地的端口之中的第二端口的端口电压Vp2收敛于第二目标电压Vo2。
例如，PID控制单元51的占空比命令值生成单元生成占空比D的命令值Do，以使构成用作传送电力P的传送目的地的端口中的低电位侧端口的第二输入/输出端口60c的端口电压Vc收敛于目标电压Vco。基于通过传感器单元70获得的在端口电压Vc的目标电压Vco与端口电压Vc的检测电压Vcd之间的偏差，占空比命令值生成单元在开关周期T的间隔执行PID控制以便于生成用于使该偏差收敛零的命令值Do。
控制单元50根据由PID控制单元51生成的命令值Do通过对初级侧转换电路20和次级侧转换电路30执行开关控制来调节升压/降压比以使得端口电压Vp2收敛于第二目标电压Vo2。该升压/降压比是用作传送电力P的传送目的地的端口中的第一端口与第二端口之间的变压比。例如，控制单元50通过改变占空比D的命令值Do来调节第一输入/输出端口60a与第二输入/输出端口60c之间的升压/降压比，以使得端口电压Vc的检测电压Vcd收敛于端口电压Vc的目标电压Vco。
注意，PID控制单元51可以包括接通时间命令值生成单元，该接通时间命令值生成单元生成接通时间δ的命令值δo而不是占空比D的命令值Do。
上限值检测单元52是用于检测相位差φ的命令值φo是否等于上限值φmax的装置。
设定阈值检测单元53是用于检测来自用作传送电力P的传送目的地的端口之中的第一端口的端口电压Vp1的检测值是否低于设定阈值Vth的装置。例如，设定阈值检测单元53检测端口电压Va的检测电压Vad是否低于设定阈值Vth。
目标电压调节单元54是用于基于来自上限值检测单元52和设定阈值检测单元53的检测结果来调节来自用作传送电力P的传送目的地的端口之中的第二端口的端口电压Vp2的第二目标电压Vo2的装置。例如，目标电压调节单元54是用于调节与端口电压Vc的检测电压Vcd相比较的端口电压Vc的目标电压Vco的装置。
图5是示出了电力转换方法的示例的流程图。通过控制单元50来执行图5中示出的电力转换方法。
在步骤S10中，目标电压调节单元54确定相位差φ的命令值φo是否等于上限值φmax。通过确定相位差φ的命令值φo是否等于上限值φmax，可以确定作为控制的结果命令值φo是否达到上限值φmax。
当上限值检测单元52检测到相位差φ的命令值φo等于上限值φmax时，这意味着命令值φo被固定为上限值φmax，并且因此目标电压调节单元54执行步骤S20的处理。另一方面，当上限值检测单元52检测到相位差φ的命令值φo不等于上限值φmax(换句话说，相位差φ的命令值φo小于上限值φmax)时，这意味着命令值φo小于上限值φmax，并且因此目标电压调节单元54执行步骤S40的处理。
在步骤S20中，目标电压调节单元54确定端口电压Va的检测电压Vad是否低于设定阈值Vth。当设定阈值检测单元53检测到端口电压Va的检测电压Vad低于设定阈值Vth时，目标电压调节单元54执行步骤S30的处理。当命令值φo与上限值φmax匹配时，端口电压Va的检测电压Vad低于设定阈值Vth的状况表示：即使传送电力P的输出为最大值，端口电压Va也由于第一输入/输出端口60a中的电力不足而下降了。
因此，在步骤S30中，目标电压调节单元54减小端口电压Vc的目标电压Vco以抑制端口电压Va的下降。
通常将目标电压Vco设定为与初级侧低电压系统电源62c的电源电压相比高得多的值，并且因此从第二输入/输出端口60c提供而基本上不从初级侧低电压系统电源62c提供流过初级侧低电压系统负载61c的电流(参见图1)。换句话说，初级侧低电压系统电源62c通常通过第二输入/输出端口60c的端口电压Vc充电。
当用作端口电压Vc的目标值的目标电压Vco从其标准值减小时，通过图4所示的PID控制单元51的占空比命令值生成单元与目标电压Vco的减小一致地减小实际的端口电压Vc。当端口电压Vc减小时，从第二输入/输出端口60c输出的端口电流Ic根据初级侧低电压系统电源62c的电源电压和电感与第二输入/输出端口60c的端口电压Vc和电感之间的平衡而减小。当端口电流Ip开始减小时，从与第二输入/输出端口60c连接的初级侧低电压系统电源62c输出的电源电流Ics开始增大。
特别地，当目标电压调节单元54将目标电压Vco减小至初级侧低电压系统电源62c的电源电压以下时，从初级侧低电压系统电源62c提供而基本上不从第二输入/输出端口60c提供流过初级侧低电压系统负载61c的电流。换句话说，当目标电压Vco低于初级侧低电压系统电源62c的电源电压时，初级侧低电压系统电源62c被放电。
因此，通过减小目标电压Vco，能够减小电源电路10的总电力消耗(电流消耗)，并且因此能够避免相位差φ保持固定为上限值φmax的状况。此外，从初级侧低电压系统电源62c输出的电源电流Ics增大，并且因此，即使在初级侧低电压系统负载61c的电流消耗增大并且从第二输入/输出端口60c输出的端口电流Ic减小时，也能够抑制端口电压Vc的下降。而且，初级侧低电压系统电源62c连接至第二输入/输出端口60c，并且因此端口电压Vc不可能下降至初级侧低电压系统电源62c的电源电压以下。
另一方面，仅初级侧高电压系统负载61a(而无电源)连接至第一输入/输出端口60a。然而，从第二输入/输出端口60c输出的电力量减小，并且因此，即使在初级侧高电压系统负载61的电流消耗增大时，也能够通过经由变压器400从第一输入/输出端口60a提供的传送电力P来抑制端口电压Va的下降。换句话说，能够将从第二输入/输出端口60c输出的电力量的减小转移至从第一输入/输出端口60a输出的电力。
在图5的步骤S20和S30中，目标电压调节单元54减小端口电压Vc的目标电压Vco，直到端口电压Va的检测电压Vad至少增大至设定阈值Vth或增大至设定阈值Vth以上。由于目标电力Vc的减小，从第二输入/输出端口60c输出的电力量减小，从而引起从第一输入/输出端口60a输出的电力量的增大。因此，下降的端口电压Va上升。
此外，在步骤S30中，目标电压调节单元54以预定电压减小宽度ΔV的间隔逐渐地减小目标电压Vco。通过逐渐地减小目标电压，能够防止与目标电压相比较的端口电压的快速变化。每当目标电压Vco被减小了电压减小宽度ΔV，目标电压调节单元54就执行步骤S20的处理。
当在步骤S20中设定阈值检测单元53检测到端口电压Va的检测电压Vad等于或超过设定阈值Vth时，这表示端口电压Va下降的量的减小，并且因此，目标电压调节单元54执行步骤S10的处理。
在步骤S40中，同时，目标电压调节单元54确定端口电压Vc的目标电压Vco是否低于目标电压Vco的初始值。例如，该目标电压Vco的初始值是根据标准状况设定为标准值的参考值并且对应于比初级侧低电压系统电源62c的标准电源电压高的电压。在检测到目标电压Vco低于初始值之后，目标电压调节单元54增大目标电压Vco直到目标电压Vco达到或超过初始值(步骤S40和S50)。因此，能够使在步骤S30中被减小的目标电压Vco返回至其原始值。
此外，在步骤S50中，目标电压调节单元54以预定电压增大宽度ΔV的间隔逐渐地增大目标电压Vco。通过逐渐地增大目标电压，能够防止与目标电压相比较的端口电压的快速变化。
当目标电压Vco被增大了电压增大宽度ΔV时，目标电压调节单元54执行步骤S10的处理。
以上描述了电力转换设备以及电力转换方法的实施方式，然而本发明不限于以上实施方式，而可以在本发明的范围内实现各种修改和改进，诸如可以将以上实施方式部分地或全部地与另一个实施方式进行组合或置换。
例如，在以上实施方式中，引用了是受到接通/关断操作的半导体元件的MOSFET作为开关元件的示例。然而，例如，该开关元件可以是使用诸如绝缘栅双极性晶体管(IGBT)或MOSFET的绝缘栅、或双极性晶体管的电压控制型电力元件。
此外，电源可以连接至第一输入/输出端口60a，并且电源可以连接至第四输入/输出端口60d。此外，电源不需要连接至第二输入/输出端口60c，并且电源不需要连接至第三输入/输出端口60b。
而且，在图1中，初级侧低电压系统电源62c连接至第二输入/输出端口60c，而电源不需要连接至第一输入/输出端口60a或第二输入/输出端口60c。
此外，本发明不限于将电力从次级侧端口传送至初级侧端口的情况，而还可以应用于将电力从初级侧端口传送至次级侧端口的情况。
Claims (8)
1.一种电力转换设备，包括：
初级侧电路(20)；
次级侧电路(30)，所述次级侧电路(30)通过变压器(400)磁耦合至所述初级侧电路(20)；以及
控制单元(50)，所述控制单元(50)通过改变所述初级侧电路(20)的切换操作与所述次级侧电路(30)的切换操作之间的相位差来调节在所述初级侧电路(20)与所述次级侧电路(30)之间传送的传送电力，以使得在所述初级侧电路(20)中设置的初级侧端口(60a、60c)和在所述次级侧电路(30)中设置的次级侧端口(60b、60d)中的一个端口的端口电压收敛于目标电压，
其中，所述控制单元(50)在所述相位差等于上限值并且所述端口电压小于设定阈值时减小所述目标电压。
2.根据权利要求1所述的电力转换设备，其中所述控制单元(50)减小所述目标电压，直到所述端口电压达到或超过所述设定阈值为止。
3.根据权利要求1或2所述的电力转换设备，其中所述控制单元(50)逐渐地减小所述目标电压。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的电力转换设备，其中所述控制单元(50)在所述相位差小于所述上限值并且所述目标电压低于参考值时增大所述目标电压。
5.根据权利要求4所述的电力转换设备，其中所述控制单元(50)增大所述目标电压，直到所述目标电压达到或超过所述参考值为止。
6.根据权利要求4或5所述的电力转换设备，其中所述控制单元(50)逐渐地增大所述目标电压。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的电力转换设备，其中所述一个端口包括第一端口和第二端口，
所述控制单元(50)调节所述传送电力以使得所述第一端口的端口电压收敛于第一目标电压，以及调节所述第一端口与所述第二端口之间的变压比以使得所述第二端口的端口电压收敛于第二目标电压，以及
当所述相位差等于所述上限值并且所述第一端口和所述第二端口中的一个端口的端口电压低于所述设定阈值时，所述控制单元(50)减小另一个端口的目标电压。
8.一种电力转换方法，用于通过改变初级侧电路(20)的切换操作与次级侧电路(30)的切换操作之间的相位差来调节在所述初级侧电路(20)与所述次级侧电路(30)之间传送的传送电力，以使得在所述初级侧电路(20)中设置的初级侧端口(60a、60c)和在所述次级侧电路(30)中设置的次级侧端口(60b、60d)中的一个端口的端口电压收敛于目标电压，所述次级侧电路(30)通过变压器(400)磁耦合至所述初级侧电路(20)，所述方法包括：
当所述相位差等于上限值并且所述端口电压小于设定阈值时减小所述目标电压。
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